Двусторонние оценки характеристик теплопроводности анизотропных теплозащитных материалов


DOI: 10.34759/tpt-2021-13-8-338-346

Авторы

Зарубин В. С.*, Зимин В. Н.**, Леонов В. В.***, Зарубин В. С.

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, 2-я Бауманская ул., 5, стр. 1, Москва, 105005, Россия

*e-mail: zarubin@bmstu.ru
**e-mail: zimin@bmstu.ru
***e-mail: lv-05@mail.ru

Аннотация

Поверхность теплозащитного покрытия космических аппаратов, возвращаемых на Землю, подвержена неравномерному нагреву. Для снижения температуры на участках этой поверхности, которые испытывают наиболее интенсивный нагрев, целесообразно использовать анизотропный материал теплозащитного покрытия, имеющий в тангенциальном направлении существенно более высокий коэффициент теплопроводности по сравнению с направлением нормали к поверхности. Это позволит часть тепловой энергии, воспринимаемой наиболее теплонапряженными участками поверхности, отводить в тангенциальном направлении. Анизотропный материал покрытия может представлять собой композит с высокотеплопроводными включениями в изотропную матрицу. Выбор такого материала и предварительный количественный анализ эффективности его применения требует для достоверной оценки характеристик теплопроводности наличия надежных методов расчета. Данная работа посвящена построению и применению для этих характеристик двусторонних (сверху и снизу) оценок, основанных на двойственной вариационной модели процесса теплопроводности в анизотропном теле.

Ключевые слова:

анизотропный теплозащитный материал, изотропная матрица композита, высокотеплопроводные включения, эффективные коэффициенты теплопроводности, трансверсально изотропный композит

Библиографический список

  1. Formalev V.F. Heat and mass transfer in anisotropic bodies // High Temperature. 2001. V. 39. Iss. 5. P. 753‒774.
  2. Formalev V.F., Kolesnik S.A. Conjugate heat transfer between wall gasdynamic flows and anisotropic bodies // High Temperature. 2007. V. 45. Iss. 1. P. 76–84.
  3. Leonov V.V., Zarubin V.S. Jr. Uneven heating of the anisotropic spherical layer of the heat-protective coating // AIP Conference Proceedings. XLIII Academic Space Conference: Dedicated to the Memory of Academician S.P. Korolev and Other Outstanding Russian Scientists — Pioneers of Space Exploration. 2019. P. 030004.
  4. Зарубин В.С., Зарубин В.С. мл., Леонов В.В. Неравномерный нагрев поверхности анизотропного шарового слоя // Тепловые процессы в технике. 2019. Т. 11. № 3. С. 115‒123.
  5. Leonov V.V., Grishko D.A., Airapetyan M.A., Shvyrkina O.S., Nikitin G.A. Thermal analysis of trajectories of return from the moon using several entries into the atmosphere for ballistic capsule and gliding descent vehicles // Cosmic Research. 2021. V. 59. Iss. 3. P. 162–174.
  6. Леонов В.В., Зарубин В.С. мл., Айрапетян М.А. Анализ эффективности применения анизотропных теплозащитных материалов при реализации траекторий с многократным входом в атмосферу // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2021. № 2 (731). С. 56–68.
  7. Зарубин В.С., Зимин В.Н., Леонов В.В., Зарубин В.С. мл. Равновесная температура поверхности затупления баллистической капсулы при возвращении на Землю с параболической скоростью // Тепловые процессы в технике. 2021. Т. 13. Принята к публикации.
  8. Конвективный теплообмен летательных аппаратов / Под научн. ред. Б.А. Землянского. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2014. 380 с.
  9. Аттетков А.В., Волков И.К. Оптимальная толщина анизотропном стенки, разделяющей две различные среды, при ее локальном нагреве // Тепловые процессы в технике. 2017. Т. 9. № 9. С. 417–421.
  10. Зарубин В.С., Леонов В.В., Зарубин В.С. мл. Нагрев сегмента шарового слоя анизотропного теплозащитного покрытия // Тепловые процессы в технике. 2019. Т. 11. № 12. С. 556–563.
  11. Formalev V.F., Kolesnik S.A., Kuznetsova E.L. The effect of longitudinal nonisothermality on conjugate heat transfer between wall gasdynamic flows and blunt anisotropic bodies // High Temperature. 2009. V. 47. Iss. 2. P. 228–234.
  12. Формалев В.Ф., Колесник С.А., Селин И.А. О сопряженном теплообмене при аэродинамическом нагреве анизотропных тел с высокой степенью анизотропии // Тепловые процессы в технике. 2016. Т. 8. № 9. С. 388–394.
  13. Свойства конструкционных материалов на основе углерода / Под ред. В.П. Соседова. М.: Металлургия, 1975. 336 с.
  14. Черепанов В.В., Щурик А.Г., Миронов Р.А. Оптические свойства отечественного стеклоуглерода для тепловых приложений // Тепловые процессы в технике. 2018. Т. 10. № 7-8. С. 317–321.
  15. Ванько В.И., Ермошина О.В., Кувыркин Г.Н. Вариационное исчисление и оптимальное управление. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018. 488 с.
  16. Власова Е.А., Зарубин В.С., Кувыркин Г.Н. Приближенные методы математической физики. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 700 с.
  17. Зарубин В.С., Кувыркин Г.Н. Математические модели механики и электродинамики сплошной среды. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. 512 с.
  18. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Л.: Энергия, 1974. 264 с.
  19. Фиалков А.С., Бавер А.И., Сидоров Н.М., Чайкун М.И., Рабинович С.М. Пирографит. Получение, структура, свойства // Успехи химии. 1965. Т. 34. № 1. С. 132–153.
  20. Производство пирографита — материала с особыми свойствами. URL: https://doncarb.com/articles/proizvodstvo-pirografita/ Дата обращения 22.07.1021.
  21. Шермергор Т.Д. Теория упругости микронеоднородных сред. М.: Наука, 1977. 400 с.


mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2024